1. 介绍
PCI（Peripheral Component Interconnect）是一种计算机总线标准，用于连接计算机主板和外部设备。Linux作为一种开源操作系统，具有强大的支持和广泛的使用，对于PCI设备的探索和管理提供了丰富的功能和工具。本文将深入探讨Linux下的PCI设备，并介绍相关的概念、工具和编程接口。
2. PCI设备的概念
PCI设备是指通过PCI总线连接到计算机主板的外部设备。每个PCI设备都有一个唯一的设备ID，用来标识设备的类型和制造商。PCI设备通常会提供一系列的功能，并通过PCI配置空间暴露给操作系统。操作系统可以通过访问PCI配置空间来获取设备的基本信息、配置寄存器等，并与设备进行交互。
2.1 PCI配置空间
PCI配置空间是PCI设备中的一块预留的内存区域，用于保存设备的配置信息。操作系统可以通过读写PCI配置空间中的寄存器来获取和配置设备的相关信息。PCI配置空间通常由一系列的配置寄存器组成，每个寄存器对应一个设备的配置属性，如设备ID、供应商ID、中断线路等。
#include <linux/pci.h>
struct pci_dev *pci_get_device(unsigned int vendor, unsigned int device,
struct pci_dev *from);
pci_get_device()函数根据设备的供应商ID和设备ID，从系统中获取匹配的PCI设备对象。它返回一个指向struct pci_dev的指针，可以使用该对象来访问设备的PCI配置空间和其他相关信息。
2.2 PCI总线、槽位和功能
PCI设备通常通过PCI总线连接到计算机主板。每个PCI总线上可以有多个槽位，每个槽位可以插入一个PCI设备。每个PCI设备可以有多个功能，每个功能都有一个唯一的功能号。一个PCI设备可能包含多个功能的原因是为了在一个PCI设备上实现多个独立的设备实例，以节省系统资源。
3. PCI设备的探测和驱动
Linux内核提供了完善的PCI子系统，用于自动探测和配置PCI设备，并加载相应的驱动程序。当PCI设备插入到系统中时，PCI子系统会自动扫描总线、槽位和功能，将设备信息注册到内核中。内核根据设备的供应商ID和设备ID来选择合适的驱动程序，并加载驱动程序对设备进行初始化和管理。
3.1 驱动程序注册与绑定
驱动程序需要通过probe()函数来注册和绑定到相应的PCI设备。驱动程序可以使用pci_register_driver()函数来注册，并在probe()函数中根据设备的供应商ID和设备ID来判断是否与设备匹配。
#include <linux/pci.h>
int pci_register_driver(struct pci_driver *drv);
驱动程序注册后，内核会在设备插入时调用probe()函数，向驱动程序传递匹配的设备对象，驱动程序可以通过该对象访问设备的PCI配置空间和其他相关信息。
3.2 驱动程序的初始化和配置
驱动程序可以通过读取和写入设备的PCI配置空间来初始化和配置设备。可以使用pci_read_config_*和pci_write_config_*函数族来读写PCI配置寄存器。
#include <linux/pci.h>
int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val);
int pci_write_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 val);
pci_read_config_byte()和pci_write_config_byte()函数分别用于读取和写入单字节的配置寄存器。它们需要传入设备对象和配置寄存器的偏移量。通过这些函数，驱动程序可以获取和设置设备的各种属性，如中断线路、基地址等。
4. PCI设备的中断管理
PCI设备通常会通过中断来通知主机发生的事件，例如完成数据传输、错误发生等。Linux提供了完善的中断子系统，用于管理和处理PCI设备的中断。
4.1 中断的申请和释放
驱动程序可以使用request_irq()函数来申请一个中断，并指定中断处理函数来处理中断事件。
#include <linux/interrupt.h>
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
const char *name, void *dev);
驱动程序申请中断后，内核会在中断事件发生时调用指定的中断处理函数。中断处理函数需要及时地处理中断事件，并向设备发送适当的命令和数据。
4.2 中断处理的并发安全
在多核系统中，多个CPU可能同时处理中断。为了保证中断处理的并发安全，驱动程序需要使用适当的同步机制，如自旋锁、信号量等。这些同步机制可以确保不会发生竞争条件和数据一致性问题。
5. PCI设备的访问和驱动
除了内核驱动程序之外，用户空间应用程序也可以直接访问和控制PCI设备。Linux提供了一些工具和接口，用于在用户空间中访问和管理PCI设备。
5.1 lspci工具
lspci是一个常用的命令行工具，用于显示系统中的PCI设备信息。可以通过lspci工具查看设备的供应商ID、设备ID、中断线路、设备所在的总线、槽位等信息。
$ lspci
上述命令将列出系统中所有的PCI设备信息。
5.2 /dev目录下的设备文件
Linux会为每个PCI设备创建一个设备文件，可以通过设备文件来访问和控制设备。设备文件位于/dev目录下，命名为/dev/pci*，其中*为设备的域总线号和设备号。
5.3 内核模块和系统调用
用户空间应用程序可以使用内核模块来访问和控制PCI设备。内核模块可以通过设备文件访问设备的PCI配置空间和其他相关信息，以及通过系统调用来操作设备。
6. 总结
本文详细介绍了Linux下的PCI设备，并探讨了PCI设备的概念、探测和驱动、中断管理以及用户空间访问。通过本文的学习，读者可以了解Linux下PCI设备的工作原理和相关编程接口，为PCI设备的开发和驱动提供参考。